具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件的制作方法
【專利摘要】一種具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，包括半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底表面的絕緣埋層、位于所述絕緣埋層表面的有源層、位于所述有源層表面的柵介質(zhì)層、位于所述柵介質(zhì)層表面的柵電極和位于所述柵電極兩側(cè)的源電極和漏電極，所述柵介質(zhì)層包括位于所述源電極一側(cè)的第一柵介質(zhì)和位于所述漏電極一側(cè)的第二柵介質(zhì)，所述第一柵介質(zhì)的等效柵氧厚度大于所述第二柵介質(zhì)的等效柵氧厚度，所述第一柵介質(zhì)與所述第二柵介質(zhì)相接觸。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用復(fù)合柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以降低開態(tài)電阻，改善器件的跨導(dǎo)特性。
【專利說明】具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，屬于微電子與固體電子學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]功率集成電路有時(shí)也稱高壓集成電路，是現(xiàn)代電子學(xué)的重要分支，可為各種功率變換和能源處理裝置提供高速、高集成度、低功耗和抗輻照的新型電路，廣泛應(yīng)用于電力控制系統(tǒng)、汽車電子、顯示器件驅(qū)動(dòng)、通信和照明等日常消費(fèi)領(lǐng)域以及國防、航天等諸多重要領(lǐng)域。其應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)大，對其核心部分的高壓器件也提出了更高的要求。在功率集成電路中，橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(LDMOS)發(fā)揮著重要的作用。橫向結(jié)構(gòu)更有利于新一代的高密度功率集成應(yīng)用，是當(dāng)代功率器件研究的熱點(diǎn)。
[0003]帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體作為一種理想的介質(zhì)隔離材料，可以有效的實(shí)現(xiàn)高、低功率模塊，以及高、低電壓器件之間的隔離，大大節(jié)約了管芯面積，減小了寄生電容，可以方便地集成不同的電路和器件。因此，帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于高壓器件及功率集成電路具有明顯的優(yōu)勢、有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]在65nm時(shí)代，漏電一直是降低處理器良品率、阻礙性能提升和減少功耗的重要因素。而隨著處理器采用了 45nm工藝，相應(yīng)的核心面積會(huì)減少，導(dǎo)致單位面積的能量密度大幅增高，漏電問題將更加凸顯，如果不很好解決，功耗反而會(huì)隨之增大。而傳統(tǒng)的二氧化硅柵介質(zhì)的工藝已無法滿足45nm處理器的要求，因此為了能夠很好的解決漏電問題，目前，在28nm工藝節(jié)點(diǎn)上，利用高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)二氧化硅柵介質(zhì)和多晶硅結(jié)構(gòu)已經(jīng)被認(rèn)可為主要和唯一解決柵極漏電流、多晶硅損耗以及硼滲透問題的手段。但是，高介電常數(shù)金屬柵極(HKMG)結(jié)構(gòu)在改善溝道載流子遷移率方面稍顯不足，需要通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)降低開態(tài)電阻、改善器件的跨導(dǎo)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)降低開態(tài)電阻、改善器件的跨導(dǎo)特性。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，包括半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底表面的絕緣埋層、位于所述絕緣埋層表面的有源層、位于所述有源層表面的柵介質(zhì)層、位于所述柵介質(zhì)層表面的柵電極和位于所述柵電極兩側(cè)的源電極和漏電極，所述柵介質(zhì)層包括位于所述源電極一側(cè)的第一柵介質(zhì)和位于所述漏電極一側(cè)的第二柵介質(zhì)，所述第一柵介質(zhì)的等效柵氧厚度大于所述第二柵介質(zhì)的等效柵氧厚度，所述第一柵介質(zhì)與所述第二柵介質(zhì)相接觸。
[0007]可選地，所述有源層包括位于所述源電極相對應(yīng)位置的源極、位于所述漏電極相對應(yīng)位置的漏極、位于所述柵電極之下的阱區(qū)、位于所述阱區(qū)和所述漏極之間的漂移區(qū)和體接觸區(qū)，所述體接觸區(qū)位于所述源極一側(cè)，與所述阱區(qū)相接觸，所述源極、所述漏極和所述漂移區(qū)均具有第一導(dǎo)電類型，所述阱區(qū)和所述體接觸區(qū)具有第二導(dǎo)電類型。
[0008]可選地，所述第一導(dǎo)電類型為N型，所述第二導(dǎo)電類型為P型。
[0009]可選地，所述第一導(dǎo)電類型為P型，所述第二導(dǎo)電類型為N型。
[0010]可選地，所述絕緣埋層包括一窗口，所述窗口位于所述源電極下方，所述窗口填充有半導(dǎo)體填充物，所述半導(dǎo)體填充物與所述半導(dǎo)體襯底的材料存在帶隙差且熱導(dǎo)率大于所述絕緣埋層的熱導(dǎo)率。
[0011]可選地，所述窗口填充有SihGex材料。
[0012]可選地，所述具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件還包括位于所述柵介質(zhì)層表面靠近所述漏電極一側(cè)的場氧化層和位于所述場氧化層表面的金屬場板，所述金屬場板靠近源電極的一端與所述柵電極相接觸。
[0013]可選地，所述第一柵介質(zhì)為由高介電常數(shù)介質(zhì)和SiO2介質(zhì)組成的復(fù)合柵介質(zhì)，所述第二柵介質(zhì)為高介電常數(shù)柵介質(zhì)。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過第一柵介質(zhì)層和第二柵介質(zhì)層的等效柵氧厚度不同，使得靠近源端介質(zhì)溝道部分閾值電壓較大，不同閾值電壓使得沿著溝道方向上引入了新的電勢分布和電場峰值，該電場可以加速載流子在溝道中的運(yùn)動(dòng)，起到增大溝道電流，降低開態(tài)電阻，改善器件的跨到特性的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖1示出根據(jù)【具體實(shí)施方式】的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件的示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說明。
[0017]參考附圖1是根據(jù)本【具體實(shí)施方式】的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件的示意圖。包括半導(dǎo)體襯底14、位于所述半導(dǎo)體襯底14表面的絕緣埋層13、位于所述絕緣埋層13表面的有源層7、位于所述有源層7表面的柵介質(zhì)層、位于所述柵介質(zhì)層表面的柵電極6和位于所述柵電極6兩側(cè)的源電極I和漏電極10，所述柵介質(zhì)層包括位于所述源電極I 一側(cè)的由高介電常數(shù)介質(zhì)4和SiO2介質(zhì)5組成的復(fù)合第一柵介質(zhì)和位于所述漏電極一側(cè)的高介電常數(shù)第二柵介質(zhì)17，所述由高介電常數(shù)介質(zhì)4和SiO2介質(zhì)5組成的復(fù)合第一柵介質(zhì)的等效柵氧厚度大于高介電常數(shù)第二柵介質(zhì)17的等效柵氧厚度，所述由高介電常數(shù)介質(zhì)4和SiO2介質(zhì)5組成的復(fù)合第一柵介質(zhì)與所述高介電常數(shù)第二柵介質(zhì)17相接觸。
[0018]本【具體實(shí)施方式】中的半導(dǎo)體襯底14為單晶硅襯底，在其他的實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體襯底14也可以是鍺硅、應(yīng)變硅以及其他化合物半導(dǎo)體襯底，如氮化鎵或者砷化鎵等。也可以是上述以及其他常見的半導(dǎo)體材料組成的多層復(fù)合襯底結(jié)構(gòu)。
[0019]本【具體實(shí)施方式】中所述柵電極6為TiN柵電極，TiN由于具有良好的熱穩(wěn)定性、較低的電阻率、較高的功函數(shù)(5.0eV左右，適合直接用來作P-MOSFETs柵電極材料)及功函數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的一種金屬柵材料。本實(shí)施方式僅是一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在具體制作時(shí)也可以選擇其他介質(zhì)材料制作柵電極或者有其他的變化。
[0020]本【具體實(shí)施方式】中，所述絕緣埋層13包括一窗口 15，所述窗口 15位于所述源電極I下方，所述窗口 15填充有半導(dǎo)體填充物SihGex,所述半導(dǎo)體填充物SihGex與所述半導(dǎo)體襯底14的材料存在帶隙差且熱導(dǎo)率大于所述絕緣埋層13的熱導(dǎo)率。其中X為Ge的摩爾百分比，一般在0.1-0.9之間。雖然帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于高壓器件及功率集成電路具有明顯的優(yōu)勢，但是由于帶有絕緣埋層的半導(dǎo)體器件在工作狀態(tài)下的散熱差，所以自熱現(xiàn)象嚴(yán)重，此外，由于絕緣埋層的存在，使得帶有絕緣埋層的橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的寄生雙極結(jié)型晶體管(BJT)效應(yīng)明顯。而SihGex材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于絕緣埋層的熱導(dǎo)率，因此SihGex的存在有利于降低器件的自熱效應(yīng)。另外，SihGex與Si之間有能帶的差別，SihGex層更有效的束縛溝道內(nèi)的空穴，由此可以進(jìn)一步降低降低寄生雙極結(jié)型晶體管效應(yīng)。本實(shí)施方式僅是一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在具體制作時(shí)也可以不制作窗口，這并不影響后續(xù)對器件進(jìn)行性能優(yōu)化。
[0021]在本【具體實(shí)施方式】中，所述有源層7包括位于所述源電極I相對應(yīng)位置的源極2、位于所述漏電極10相對應(yīng)位置的漏極11、位于所述柵電極6之下的P阱16、位于所述P阱16和所述漏極11之間的N型漂移區(qū)12和P型體接觸區(qū)3，所述P型體接觸區(qū)3位于所述源極2 —側(cè)，與所述P阱16相接觸，所述源極2和所述漏極11均為N型摻雜。在功率集成電路中，橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(LDMOS)具有多種結(jié)構(gòu)，本實(shí)施方式僅是一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在具體制作時(shí)也可以選擇其他結(jié)構(gòu)的橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(LDMOS)或者有其他的變化。
[0022]本實(shí)施方式中所述第一柵介質(zhì)為由高介電常數(shù)介質(zhì)4和SiO2介質(zhì)5組成的復(fù)合柵介質(zhì)，所述第二柵介質(zhì)為高介電常數(shù)柵介質(zhì)17。使得靠近源端的SiO2—高介電常數(shù)的復(fù)合柵介質(zhì)的等效柵氧厚度較大，而靠近漂移區(qū)的柵氧僅由高介電常數(shù)的柵介質(zhì)構(gòu)成，其等效柵氧較小，這使得靠近源極的復(fù)合介質(zhì)溝道部分閾值電壓較大，而靠近漂移區(qū)的一側(cè)的高介電常數(shù)柵介質(zhì)溝道部分閾值電壓較小，不同的閾值電壓使得沿著溝道方向上引入了新的電勢分布和電場峰值。該電場可以加速載流子在溝道中的運(yùn)動(dòng)，起到增大溝道電流，降低開態(tài)電阻，改善器件的跨到特性的作用。本實(shí)施方式僅是一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在具體制作時(shí)也可以選擇其他介質(zhì)材料制作柵介質(zhì)或者有其他的變化。
[0023]進(jìn)一步地，本【具體實(shí)施方式】中所述高介電常數(shù)的柵介質(zhì)是指介電常數(shù)高于SiO2的介電常數(shù)的介質(zhì)。所述高介電常數(shù)的柵介質(zhì)可選用HfO2, Al2O3, La2O3等材料，可以在獲得相同的閾值電壓的前提下，使用更高的溝道摻雜濃度。溝道摻雜濃度的提高，有利于降低溝道穿通擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，可以在保持耐壓能力的前提下，縮短溝道長度，從而降低器件的開態(tài)電阻。
[0024]所述具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件還包括位于所述柵介質(zhì)層表面靠近所述漏電極10 —側(cè)的SiO2場氧化層9和位于所述SiO2場氧化層9表面的TiN金屬場板8,所述TiN金屬場板8靠近源電極I的一端與所述柵電極6相接觸。場板結(jié)構(gòu)在橫向高壓器件中被廣泛應(yīng)用，可以使半導(dǎo)體表面一部分區(qū)域內(nèi)的電通量轉(zhuǎn)移到另一部分，尤其可以將電力線密集區(qū)域的電通量優(yōu)化到電場較弱的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化器件內(nèi)電勢線分布的目的并進(jìn)一步提高擊穿電壓。本實(shí)施方式僅是一種優(yōu)選的實(shí)施方式，在具體制作時(shí)也可以不制作金屬場板，這并不影響復(fù)合柵介質(zhì)對器件進(jìn)行性能優(yōu)化。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，靠近源端的柵氧由高介電常數(shù)介質(zhì)4和SiO2介質(zhì)5復(fù)合而成，等效柵氧厚度較大，而靠近漂移區(qū)的柵氧僅由高介電常數(shù)柵介質(zhì)17構(gòu)成，等效柵氧較小，這使得靠近源端的由高介電常數(shù)介質(zhì)4和SiO2介質(zhì)5組成的復(fù)合柵介質(zhì)的溝道部分閾值電壓較大，而靠近漂移區(qū)的高介電常數(shù)柵介質(zhì)17溝道部分閾值電壓較小，不同閾值電壓使得沿著溝道方向上引入了新的電勢分布和電場峰值，該電場可以加速載流子在溝道中的運(yùn)動(dòng)，起到增大溝道電流，降低開態(tài)電阻，改善器件的跨到特性的作用。進(jìn)一步地，通過在絕緣埋層中引入SihGex窗口 15，利用Si^Gex窗口 15中SihGex材料與半導(dǎo)體襯底14之間存在能帶差別，SihGex層更有效的束縛溝道內(nèi)的空穴，可以降低寄生雙極結(jié)型晶體管效應(yīng)。并且SihGexM料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于絕緣埋層13的熱導(dǎo)率，可以抑制橫向功率器件的自熱效應(yīng)。
[0026]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，包括半導(dǎo)體襯底、位于所述半導(dǎo)體襯底表面的絕緣埋層、位于所述絕緣埋層表面的有源層、位于所述有源層表面的柵介質(zhì)層、位于所述柵介質(zhì)層表面的柵電極和位于所述柵電極兩側(cè)的源電極和漏電極，其特征在于，所述柵介質(zhì)層包括位于所述源電極一側(cè)的第一柵介質(zhì)和位于所述漏電極一側(cè)的第二柵介質(zhì)，所述第一柵介質(zhì)的等效柵氧厚度大于所述第二柵介質(zhì)的等效柵氧厚度，所述第一柵介質(zhì)與所述第二柵介質(zhì)相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，所述有源層包括位于所述源電極相對應(yīng)位置的源極、位于所述漏電極相對應(yīng)位置的漏極、位于所述柵電極之下的阱區(qū)、位于所述阱區(qū)和所述漏極之間的漂移區(qū)和體接觸區(qū)，所述體接觸區(qū)位于所述源極一側(cè)，與所述阱區(qū)相接觸，所述源極、所述漏極和所述漂移區(qū)均具有第一導(dǎo)電類型，所述阱區(qū)和所述體接觸區(qū)具有第二導(dǎo)電類型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，所述第一導(dǎo)電類型為N型，所述第二導(dǎo)電類型為P型。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，所述第一導(dǎo)電類型為P型，所述第二導(dǎo)電類型為N型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，所述絕緣埋層包括一窗口，所述窗口位于所述源電極下方，所述窗口填充有半導(dǎo)體填充物，所述半導(dǎo)體填充物與所述半導(dǎo)體襯底的材料存在帶隙差且熱導(dǎo)率大于所述絕緣埋層的熱導(dǎo)率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，所述窗口填充有Si^Gex材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，還包括位于所述柵介質(zhì)層表面靠近所 述漏電極一側(cè)的場氧化層和位于所述場氧化層表面的金屬場板，所述金屬場板靠近源電極的一端與所述柵電極相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)的橫向功率器件，其特征在于，所述第一柵介質(zhì)為由高介電常數(shù)介質(zhì)和SiO2介質(zhì)組成的復(fù)合柵介質(zhì)，所述第二柵介質(zhì)為高介電常數(shù)柵介質(zhì)。
【文檔編號】H01L29/51GK103762229SQ201310749307
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】魏星, 徐大偉, 狄增峰, 方子韋 申請人:上海新傲科技股份有限公司